随着物联网的发展,传感器网络作为其感知世界的基础而将广泛存在,使电能供给面临挑战。基于电池的传统供电方式将给传感器网络的维护带来极大的时间和人力成本,从而难以适应未来的发展需求。随着传感器和无线通信的功耗降低,以及现代社会对射频技术的日益依赖,利用无线射频能量供电成为了一种具有前景的替代方案,整流天线作为其中的关键器件引起了国内外学者的关注。然而,目前存在两方面因素制约着无线能量采集的效率。一方面,射频发射装置通常没有针对无线功率传输进行优化设计,环境中的功率密度往往较低。另一方面,整流电路在低射频输入功率状态下存在效率瓶颈。多波束整流天线设计作为一种改善整流效率的有效方案,近年来渐被重视。其采用多端口多波束天线或组合多个天线,实现多个不同极化、不同空间覆盖的高增益波束以提高射频接收功率;并采用多支路整流电路将多波束接收的射频功率转换为直流,并进行合成。本文以低功率密度能量采集为背景,从进一步提高多波束整流天线效率的角度出发,对天线馈电网络的简化和多支路整流电路的优化这两方面开展了研究。本文的主要贡献如下:1.针对基于阵列天线的多波束设计依赖波束赋形馈电网络的问题,提出了利用行波天线以简化馈电结构的设计思路。运用双端口天线的行波辐射特性以获得覆盖不同空间范围的双波束,实现了无需额外馈电网络的波束赋形。基于此设计思路,对网格阵列天线的行波形式进行了研究,明确了其结构参数与波束指向以及端口隔离之间的关系。通过采用共面带线结构将整流电路与网格天线进行了集成设计。提出的高增益双波束整流天线设计具有结构简单、易于拓展口径、易于加工的特点。2.传统行波阵列天线因辐射衰减缓慢而常依赖于较大尺寸以获得良好的端口隔离。针对此问题,提出了一种利用阵列单元互耦以增强行波衰减的设计方法,使双波束整流天线设计可以在消除波束赋形电路的同时保持较小尺寸。为此,提出了一种基于耦合有耗谐振器的等效电路,并分析了其电路参数和行波衰减以及相移的关系。在此基础上,提出了一种耦合式的串馈贴片阵列行波天线设计,展现出了大幅缩短的阵列长度,可适用于增益性能和结构尺寸需折衷的场景,拓展了行波天线应用范围。由于采用了类似于滤波器拓扑的耦合谐振器等效电路,铺垫了行波天线与滤波器融合设计的基础。3.基于波束赋形电路的多波束方案不依赖于阵列天线尺寸,可以实现更紧凑设计。然而,其通常对阵列天线和电路进行分离设计,需避免阵列单元耦合,于是存在天线单元间距较大、电路结构冗余的问题。针对此问题,提出了一种融合设计框架。通过对比分析耦合贴片天线和混合耦合器电路,指出了天线取代部分电路的可行性。设计框架引入了复数J变换器对单端馈电贴片天线的耦合进行准确等效,明确了天线耦合对波束指向的影响。在此基础上,实现了对天线耦合的利用,从而减小了天线间距,简化了波束赋形馈电结构,精简了设计流程,并提出了一种紧凑的四波束双极化整流天线设计。4.鉴于八木天线具有较高的口径利用率,为获得前后双向覆盖的紧凑设计,针对八木天线在辐射方向占用较大空间的问题,提出了一种细直形准八木阵列天线。运用共线天线替代偶极子阵列作为八木阵列的受激部分,去除了巴伦和功分器,使得八木天线易于在垂直方向组阵并保持较窄轮廓,同时兼顾口径利用率、增益和带宽。得益于细直形结构,基于背靠背双天线的双波束整流天线设计实现了较小宽度,适用于对水平空间利用率有要求的场景。5.针对目前缺乏对合成多波束的多支路整流电路的研究,提出了一种评估指标,以综合考虑多波束整流天线在一定角度范围内的射频能量采集性能。基于此指标,提出了一种阻抗匹配优化方法,并对多波束能量采集进行了直流合成电路拓扑的讨论分析,明确了非工作状态整流支路对整流效率的影响。此外,对集成天线和电路常用的共面带线结构进行了分析,指出了共面带线整流电路中平衡的重要性。